《非飽和水泥基材料中多相相變的孔隙介質力學研究》是依託浙江大學，由曾強擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：非飽和水泥基材料中多相相變的孔隙介質力學研究
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：曾強
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對目前有關水泥基材料孔隙內部非飽和多相相變理論和實驗研究存在的不足，本課題研究多種鹽溶液在非飽和水泥基孔隙材料中發生相變的物理化學過程，研究相變成核、生長的動力學過程和影響因素，研究孔隙結構對孔隙中多相相變的影響，進而完善多孔介質中多相相變的理論；研究包含多相相變的非飽和孔隙介質力學理論表達，並基於多孔介質中多相相變的基礎理論描述和孔隙介質力學理論，建立多相多場孔隙介質力學模型；採用綜合試驗測量飽和度變化、溫度濕度變化、各相質量變化以及水泥基材料在多相相變條件下的應變規律，並與模型進行對比驗證。本課題圍繞多相相變理論—孔隙介質模型這一主題，採用理論—模型—試驗綜合研究方法，以揭示非飽和水泥基多孔材料內部多相相變的規律以及對水泥基材料自身孔隙結構和穩定性的影響，為實際工程中水泥基材料結構的相應破壞防治、耐久性設計、評估和壽命預測提供理論依據和科學基礎
結題摘要
水泥基多孔材料內部發生的物理化學過程是導致材料性能劣化的根本原因。然而由於水泥基材料孔隙的結構複雜性和多尺度性，現有的耐久性研究方法無法建立孔隙內部物理化學變化過程與材料巨觀力學性能變化之間的本徵關係。本項目基於孔隙介質力學的本徵原理，研究非飽和水泥基孔隙材料中多相相變過程。本項目的主要研究內容包含以下5 個方面：（a）建立水泥基孔隙材料內部多相相變過程的理論表達，並考慮孔隙內部多相相變的動力學過程；（b）研究孔隙結構（形狀、尺寸和分布）對多相相變過程的影響；（c）完善孔隙介質力學理論對非飽和孔隙介質內部多相相變的描述；（d）建立考慮水泥基材料孔隙中多相相變的孔隙介質力學計算模型；（e）開展試驗研究，測量材料的力學和物理性質，量化各相相變動力學和熱力學參數，並利用試驗數據驗證孔隙介質力學模型。 本項目的主要研究突破有：1，基於經典結晶成核理論，該研究擴展了異相成核方程，提出了不同孔隙尺寸和分形表面結晶成核的熱力學方程，該方程給出了分形表面結晶能變化的一般性描述，並包含了經典文獻中討論的特殊情況，具有普遍意義，是表面物理化學結晶成核理論的擴展。該熱力學方程明確了分形表面晶體臨界尺寸和有效結晶區域，突破了經典結晶熱力學理論認為臨界晶核尺寸與表面性質無關這一結論。該理論可以催生多學科新套用：改變材料表面特徵以控制晶體成核過程，如，改變摻和料尺寸、分布和表面結構控制C-S-H成核和生長速率，以及改變骨質材料的表面特徵以使肌肉細胞能夠在其表面自發生長等。2，基於水成核結晶均為獨立過程的假設，利用統計熱力學原理量化了結冰成核速率與過冷度之間的關係，同時基於異相成核理論，首次提出了3%NaCl溶液更容易在孔隙內部結冰從而造成材料破壞的新解釋。該研究顯示，3%NaCl溶液中水分子成核速率較其他濃度更高，而冰晶體與水泥基材料孔隙表面的接觸角更低，表明3%NaCl溶液中水更容易成核結冰。這也可能是3%濃度鹽溶液更容易造成水泥基材料鹽凍破壞的基本物理原因。這一研究結果表明表面物理化學可能是分析和解決水泥基材料鹽凍破壞的關鍵科學技術所在。
